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王省利的博客

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宇宙力場初論  

2010-05-17 23:47:48|  分类: 科技论文 |  标签: |举报 |字号 订阅

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宇宙力場初論

王省利

             

 

摘要:本文針對“角動量異常”、“galactic rotation curves”、“暗物質”等問題,提出運動品質激發力場的觀點。文章認為自旋品質可抽象為質環流,將質環流類比於電環流,通過引入質流強度並借用Maxwell方程組,導出質環流將激發一種力場。作者認為,這一場與萬有引力場共同決定了天體的運行和演化,可以解釋當前一些天體力學難題。

 

關鍵字:品質流   質環流   自旋力場

 

一、引言

天體力學的基石是牛頓萬有引力學說。隨著觀察手段的進步和現代理論發展的深入,雖然有越來越多問題得到解答,但同時也湧現出大量懸而未決的基本問題[1]。如“角動量異常”、“引力常數變小”、“品質失蹤與暗物質”,anomalous acceleration of Pioneer 10 and 11[2,3]等。儘管有很多作者試圖給出了一定的解釋,如文獻[4-6]等工作,而本文通過類比的方法,將自旋品質(質環)流類比於電環流,借用電磁學中的Maxwell方程組[7],導出質環流激發的力場(自旋力場),在非相對論和不借助於暗物質假設的情況下,即可以得到一些有益的結果。筆者認為,自旋力場與萬有引力場共同構成宇宙力場,支配著天體的運行和演化。本文重點從理論上推導自旋力場的場式、力式,初步分析它們的性質,同時也初步解釋了一些天體物理學的問題。自旋力場存在的客觀性有待進一步的實驗觀測和理論證明。

 

二、宇宙力場的基本思想

牛頓導出萬有引力定律是以J. Kepler第三定律為依據,而Kepler定律為經驗規律,至今未得到物理解釋。角動量守恆規律決定了星系在演化過程中總角動量不變,但是牛頓萬有引力力源是一個點集合,很難說明如引力常數變化效應、太陽系天體角動量異常、至今未發現蹤跡的暗物質和飛船的意外加速效應

觀察表明[1,8],在一個穩定的族系中,第一,從體不可能圍繞一個不自旋的中心天體(主體)繞轉;第二,從體的公轉週期總大於主體的自轉週期;第三,具有穩定軌道的天體總是有自轉。因此,天體運行都與運動品質或自旋相關,運動或自旋品質也有可能激發新的力場或自旋力場。

 

三、宇宙力場

3.1、場式

P

dl

q

z

x

y

r

Re

Fig. 1

以太陽系為例。設太陽為正則幾何球體,並為理想剛體,密度ρ(R)為球形對稱;太陽半徑為R0;自旋角速度為ω,且ω為常數。ω滿足0<ω<ωmax,並定義ωmax=c/rmaxc為光速,rmax為物體在自旋面上的最大半徑。ωmax的物理意義是自旋體任意一點處品質的線速度小於光速(Einstein光速極大原理)

太陽品質 ,且可進一步抽象為集中在垂直於自旋軸的同心圓盤上(Fig. 1),盤面內的品質沿半徑有一分佈。ρ如果與R無關,則距離質心Re=(2/5)1/2R0處有一最大值。因此,自旋的太陽品質可抽象為半徑為Re的質環流。質環流可以激發自旋力場。

利用Maxwell方程組,與電環流類似,質環流激發自旋力場的矢勢為:

                     (1)

式中J0為待定常數;I為質環流強度,定義為I=M/TT為太陽自旋週期,自旋角速度ω=2π/T

因質環流具有軸對稱性,故矢勢 只有φ分量 (R,θ),且 只與(R,θ)有關,而與φ無關。因此,可以選定在x-z平面內的一點P來計算 ,即在P點上 =

對於式(1)y分量,由於

dly=Recosφ’dφ’

得:

(R,θ)=                    (2)

2RResinθ<<Re2+R2                              (3)

時,把式(2)中的根式對2RResinθcosφ’/(R2+Re2)展開,取至第二項得:

(R,θ)

                                              (4)

(4)的適用條件是式(3),包括以下兩種情形:

(1)    R>>R­e (遠場)

(2)    sinθ<<1 R<<R­e (近軸場)

取式(4) (R,θ)的旋度得自旋力場 : 

自旋力場的分量:

               (5)

對於本文所討論的問題,R為行星公轉軌道半徑,R一般比太陽半徑Re大得多,因此有R>>Re,以及I=ωM/2π,並令J=J0/8π,則有:

 

 

                                (6)

的模(場強數值w)

w=                       (7)

場強大小wθ角的變化如圖所示:

w0

θ

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


      2  自旋力場場強大小wθ角的變化圖

 

(6)(7)表明:

1) 如果太陽不自旋,ω=0,自旋力場不存在,萬有引力支配太陽系的演化;

2) 當行星軌道與黃道面重合,即θ=90?時,場強有極小值w0

3) 當行星軌道與黃道面垂直,即θ=0?時,場強有極大值2w0

 

3.2、力式

設行星品質為m,運行速度 ,則在自旋力場中,除萬有引力外,行星還受自旋力:

                                   (8)

萬有引力與自旋力共同構成宇宙力,規範行星的演化。

由於以上推導完全可以不局限於太陽系,因此,宇宙中所有族系的演化同樣受宇宙力規範。

 

四、宇宙力場的性質

牛頓萬有引力場與自旋力場的特性可比較如下:

名稱及特性                                       牛頓引力場                         自旋力場

1、場性                                            保守場                                非保守場

2、場型                                            球狀                                   碟狀

3、場線                                            非閉合                                閉合

4、力源位置                                     幾何中心                            非幾何中心(半徑Re的質流環)

5、與自旋的關係                              無關                                   有關,且0<ω<ωmax

6、族系內角動量分佈                       不變                                   向行星公轉運動轉移90?)

7、作用物件公轉線速度                   v=[GM(R)/R]1/2                 v + at  (加速度a>0)

 

五、討論

5.1 (8)表明,運動品質在自旋力場將受到非零的力的作用,而靜止品質不受自旋力場的影響。

5.2 (8)還表明,當θ=90?時,即對於黃道面上的行星BR=0FR=0,行星在R方向上不受自旋力場的作用,但0,且取極大值,提供行星公轉的部分向心力(特性6);當θ=0?,即垂直于黃道面時,FR取極大值,使“行星”公轉軌道面向黃道面演化;0?<θ<90?時,FR分為行星軌道向黃道面演化的分力和公轉離心分力,分為行星軌道向黃道面演化的分力和公轉向心分力。

5.3 根據5.2的分析,不難理解,當行星軌道存在向黃道面演化的分力時,行星軌道相對於太陽自旋軸的角動量要逐漸增大。如行星公轉軌道在θ=0?的平面內,這一角動量為零;θ0?的面則不為零。根據角動量守恆原理,恒星的自旋角動量在行星軌道演化的過程中,必然要減小,導致今天“太陽系角動量異常”。

5.4眾所周知,旋渦星系的旋轉曲線在距離中心較遠處,旋轉速率比牛頓引力預期大,從而給出“暗物質”存在的解釋。事實上,θ=90?時,式(8)表明提供行星公轉的部分向心力。由於隨R的增加,質環流將由R以內的所有品質{Mi}提供,因此,R處的天體受到的向心力近似為:

               (9)

線速度v為:

 +                     (10)

(10)中第一項大於零,且隨R增大,i的項數增大,有可能導致整項在R增大的過程中呈上升趨勢,說明暗物質的存在不如預期的多,甚至不存在“暗物質”。

5.5 文獻[]報導Pioneer 10 and 11 encountered an anomalous acceleration by (8.74±1.33)×10-8 cm/s2 directed towards the Sun. Pioneer 10 and 11的運行軌道近似在黃道面內,即式(8)中對應θ=90?FR=00且取極大值,力的方向正對太陽,大小為mvJωMRe2/R3。設該力正好全部用於加速飛行器,採用太陽系參數[b],可確定出式(6)-(8)中的待定常量J=2.176×10-22 (m/kg)。事實上,由於飛行器並非圍繞太陽做圓周運動,且軌跡不規則(如遇行星加速,推進器工作等),因此,對飛行器朝向太陽加速的力僅僅是場中飛行器受自旋力的一個分力,這裏得到的J的數值也只是J值的下限。

5.6 也由於式(9),隨著角動量的轉移,當質環流流速減小(自旋角速度ω減小)時,向心力F減小,因此,用牛頓引力考慮問題時,表現出了“引力常數G減小”的效果。人們通過牛頓引力公式分母的指數進行修正,如A. Hall[x], S. Newcomb[y] and E. W. Brown[z]等人的工作,分別得到指數n=2+1.67×10-72+1.574×10-72+4×10-8。我們利用太陽系的參數,可進一步確定出J的量值分別為:4.49×10-142.307×10-149.16×10-21。這些結果也都在上述“5.5預期的範圍之內。

 

六、結論

根據目前天體物理學中存在的一些問題,本文通過類似電磁學的方法,將運動品質(質環流)類比於電環流,借用Maxwell方程組,導出了質環流激發自旋力場的運算式,討論了自旋力場的性質,並認為,自旋力場與萬有引力場共同構成宇宙力場,支配著天體的運行和演化。自旋力場在一定程度上解釋了目前天體物理學中角動量異常、galactic/flat rotation curvesanomalous acceleration of the Pioneer 10 and 11 spacecrafts等問題。本文還利用Pioneer 10 and 11 anomalous acceleration以及引力常數G減小的資料,確定了自旋力場中常數J值的下限。

 

 

 

參考文獻

1. Zongwei Li, Xinghua Xiao, 天體物理學,北京:高等教育出版社,2001

2. J.D. Anderson, P.A. Laing, E.L. Lau, A.S. Liu, M.M. Nieto, and S.G. Turyshev, Phys. Rev. Lett. 81, 2858, 1998

3. John D. Anderson, Philip A. Laing, Eunice L. Lau, Anthony S. Liu, Michael Martin Nieto and Slava G. Turyshev, Study of the anomalous acceleration of Pioneer 10 and 11Phys. Rew. D, 65, 082004-1~082004-50

4. Fischbach, E., Sudarsky, D., Szafer, A., Talmadge, C., Aronson, S.H.: 1986, Phys. Rev. Lett. 56, 3

5. E. Schmutzer, Astron. Nachr. 322 (2001) 2, 93102

6. Matthew R.Edwards (ed.): Pushing Gravity: New perspectives on LeSage’s theory of gravitation, Apeiron (C. Roy Keys Inc.), Montreal, 2002

7. Qiren Zhang, 經典場論,北京:科學出版社,2003

8. 中國大百科全書-天文學,中國大百科全書出版社,198012

 

 

 

 

 

核心提示

宇宙力理論之立論基礎是質能量,旨在闡釋客體由於自旋將有一種新的物理屬性,而激發一種新力場,且客體自旋過程中引力屬性仍不改變,這則意味著客體自旋狀態下不再表現為單一的引力場,而是宇宙力場。倘若這種立論的假設成立,則可靠的導證結果為:

1.從體(繞轉體)集合質能量總和不大於主體(中心體)質能量總和。

2. 從體(如行星)或從體集合(如光環)的軌跡為非圓曲線。

3. 任一從體的公轉週期必大於主體(中心體)的自旋週期。

4. 自旋能與品質之間轉化的方程遵循:  (c光速)

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